新型太陽能空氣集熱器性能研究及供暖測試

劉杰， 陳安娟， 張俊

(青島理工大學環境與市政工程學院， 青島 266000)

能源是人類生存和發展的物質基礎，隨著社會經濟的快速發展，能源消耗量不斷增加，傳統化石能源供應日趨緊張，引發的環境問題日益突出，尋找清潔可再生的替代能源成為社會可持續發展的關鍵[1-2]。太陽能作為清潔、無污染、可再生能源引起社會的廣泛關注[3-4]，作為可再生能源的重要利用方式之一，太陽能熱利用在全球廣泛應用于熱水制備、太陽能空調、太陽能供暖和工農業加熱等領域，而太陽能在供暖領域的有效利用對建筑節能起著重要的作用，因此太陽能供暖成為目前太陽能熱利用領域的研究重點[5-6]。在中國北方農村地區冬季主要采用燃柴、燃煤、燃氣的方式取暖，供暖季利用太陽能進行取暖，既能夠解決燃煤、燃柴帶來的環境污染和能源浪費問題，真正實現清潔供熱，還能夠緩解用氣壓力[7]，具有明顯的經濟、環境及社會效益[8]。目前常用的太陽能采暖系統多以水為傳熱介質，在使用過程中存在泄露、凍裂及結垢等問題，因此換熱好，運行安全穩定的空氣集熱器成為研究的重點[9-11]。隨著集熱器技術的發展，一些新型結構的真空管太陽能空氣集熱器研究及應用取得較好成果[12]。董吉斌等[13]搭建了真空管式太陽能空氣集熱器供暖系統進行采暖測試，結果表明，該采暖方式在環境溫度不低于-15 ℃的地區，當太陽輻照強度大于400 W/m2，能滿足白天大部分時間采暖的要求。李彩霞等[14]基于太陽能空氣集熱器組成新型的太陽能干燥/采暖聯合系統進行研究，結果表明該聯合系統能夠滿足農戶對農副產品干燥和家庭采暖的兩種需求。

空氣式真空管集熱器以空氣為傳熱介質，具有抗凍性好、不結垢、無腐蝕、運行安全可靠等優點，廣泛應用于太陽能干燥、太陽能采暖等領域[15]。但普通的空氣集熱器在使用過程中因采用雙流道，風量小、流道長導致真空管中的熱量利用不充，真空管內保持較高的溫度，不利于真空管再次吸收熱量，降低了真空管換熱效率。為有效解決上述問題，現研究一種新型雙通空氣式太陽能真空集熱器，并搭建試驗臺對集熱器熱性能進行測試，同時對該集熱器應用于農村戶用采暖時的供暖效果進行測試分析，旨在證明空氣式太陽能集熱器在供暖領域的應用中具有較強的可行性。

1 雙通空氣式真空管太陽能集熱器基本結構和工作原理

1.1 基本結構

為獲得更高的換熱效率和減少真空管受熱應力而產生的破損，設計并研究了新型雙通空氣式真空管太陽能集熱器，具體結構如圖1所示。

圖1 新型雙通真空管太陽能空氣集熱器結構圖Fig.1 Structural diagram of new double pass vacuum tube solar air collector

由圖1可知，雙通空氣式真空管太陽能集熱器主要由進出風聯集箱，真空集熱管及框架組成。集熱器進風聯集箱與出風聯集箱通過密封圈與雙通空氣式太陽能真空集熱管相連，空氣由風機送入進風聯集箱后分配到不同的真空管內進行吸熱，吸收熱量后的空氣進入出風聯集箱進行送風。雙通直流式全玻璃太陽能真空集熱管頭部和尾部互通，雙通直流，能夠快速將熱量導出，使集熱管處于最佳工作狀態；進風口徑大，風量大，真空管吸收的熱量被充分利用，換熱效率高；真空管內管出風口端設有8個膨脹節，起緩沖作用，避免工作過程中因冷熱沖擊產生的熱應力導致真空管破損。空氣型太陽能集熱器具體參數如表1所示。

表1 新型太陽能空氣集熱器參數

1.2 工作原理

空氣由風機送入進風聯集箱后流入不同的直通式真空集熱管，太陽輻射透過外玻璃管照射到涂有選擇性吸收涂層的內玻璃管上，吸收涂層充分吸收入射太陽輻射能后將其轉化為熱能，并通過輻射和對流形式將熱量傳遞給進入管內的空氣，空氣在被加熱升溫的過程中將有用熱能帶走，與此同時，被加熱的吸熱管透過玻璃管向周圍環境散失部分熱量。

2 集熱器熱性能試驗

2.1 試驗系統

試驗采用空氣作為循環工質，通過風機實現強制循環，試驗測試系統如圖2所示。

圖2 試驗系統圖Fig.2 Test system diagram

整個試驗系統包括太陽能系統和測試系統。太陽能系統包括集熱器、風機，支架。測試系統包括氣象參數測試和集熱器系統參數測試兩部分。氣象參數測試包括環境溫度、環境風速、太陽輻照強度。集熱器測試包括風量、集熱器進出口風溫度。試驗主要測試儀器及集熱器安裝環境如表2和表3所示。

表2 試驗主要測試儀器

表3 集熱器安裝環境

2.2 集熱器集熱效率計算

集熱器瞬時效率(ηi)定義為在某一時間內吸收的有用能(Q)與入射的太陽輻射能之比[16]。

(1)

Q=mCf(Te-Ti)

(2)

式中：Q為集熱器吸收的有效熱量，W；Aa為集熱器采光面積，m2；Is為太陽輻射強度，W/m2；m為工質質量流量，kg/s；Cf為傳熱工質比熱容，J/(kg· ℃)；Te為工質出集熱器的溫度， ℃；Ti為工質進集熱器的溫度， ℃。

(3)

式(3)中：Ta為環境溫度， ℃。

將試驗測得的工質進出口溫度、流量、太陽輻射強度代入式(1)～式(3)中計算出各離散點的值，通過最小二乘法進行曲線擬合，即可獲得以歸一化溫差為參考的瞬時效率曲線方程[17]，其形式為

(4)

式(4)中：η為基于歸一化溫差的瞬時效率；ηo為集熱器可獲得的最大集熱效率；UL為集熱器總熱損失系數。

2.3 試驗結果及分析

在德州地區搭建了上述試驗臺對新型太陽能集熱器熱性能進行測試，測試時間為2020年8月14日8:30—16:00,當日天氣晴朗，間或少云，微風。測試過程中空氣質量流量恒定在0.018 kg/s，測試期間環境溫度為16～19 ℃。

由圖3可知，集熱器出風溫度隨太陽輻照強度的變化而變化，集熱器進風溫度變化不大。隨著太陽輻照度的增加，集熱器出風溫度及進出口溫差增加，太陽輻照強度在12:40達到最大值728 W/m2，集熱器最高出風溫度可達92.3 ℃，出現在12:45，相比最大輻照強度出現的時間略晚，這是由于集熱器將吸收的太陽能轉化成熱能并將其傳遞給工作介質的過程中需要一定的時間。

由圖4可知，集熱器瞬時效率隨著太陽輻照強度的變化而變化。在12:45瞬時效率達到最大值為0.758,此時集熱器進出口溫差最大，工質帶走的有用能最多，使得集熱器瞬時效率最高；集熱器瞬時平均集熱效率為0.667，相比較普通空氣集熱器效率較高。

圖3 集熱器出口溫度隨太陽輻照度變化Fig.3 Variation of collector outlet temperature withsolar irradiance

圖4 集熱器瞬時效率Fig.4 Instantaneous efficiency of collector

圖5是基于歸一化溫差的瞬時效率擬合曲線。根據集熱器進出口溫度和太陽輻照強度得到該集熱器瞬時效率曲線方程為

(5)

當集熱器與外界基本無熱交換時，集熱器效率極限為0.758；當集熱器工作介質溫度高于環境溫度時，真空管向外散熱，效率曲線斜率為-2.092，即集熱器熱損系數為2.092 W/(m2· ℃)。進風溫度越高，太陽輻照強度越小，瞬時效率越低，即高溫運行時集熱器的熱性能較差。

圖5 瞬時效率擬合曲線Fig.5 Instantaneous efficiency fitting curve

3 農村獨立民居冬季供暖應用初步研究

本文研究的供暖系統位于山東省德州市平原縣某農村建筑上，供暖面積50 m2。建筑原采用家用空調器取暖，現增加太陽能系統和電加熱聯合供暖。室內采暖設計溫度16～24 ℃。

太陽能系統包括2臺新型空氣集熱器、2臺100 W風機及若干風管，風管外部設有保溫層，在出風口處設置電加熱，輔助供暖，兩臺集熱器采用串聯方式連接，系統圖如圖6所示。

圖6 太陽能+電加熱供暖系統圖Fig.6 Solar+electric heating system diagram

圖7 太陽能+家用空調器供暖系統實物圖Fig.7 Physical drawing of solar energy+household air conditioner heating system

系統控制原理：太陽能空氣集熱器出口及室內裝有溫度傳感器，當集熱器出口溫度高于35 ℃時，開啟兩臺風機，在回風機牽引下室內空氣進入集熱器內進行加熱，加熱后的空氣通過主風機經送風管直接送至室內進行供暖，循環送風，使室內溫度不斷升高，直至達到室內設計溫度；當集熱器出口溫度處于15～35 ℃時，開啟風機的同時利用電加熱輔助供暖；當出口溫度低于15 ℃時關閉風機及電加熱，開啟家用空調器取暖，供暖系統實物圖如圖7所示。為了更好地研究該新型太陽能集熱器在實際供暖中的供暖效果，因此在測試過程中僅開啟太陽能供暖系統。

本文只研究該聯合系統在太陽能單獨供暖情況下的供暖效果，測試時間為2021年1月1號、2號的9:00—17:00，測試結果如圖8和圖9所示。

圖8 晴天條件下集熱器出口溫度及室內外溫度變化曲線Fig.8 Variation curves of collector outlet temperature and indoor and outdoor temperature under sunny conditions

圖8為晴天條件下集熱器出口溫度及室內外溫度變化曲線。由圖8(a)可知集熱器出口溫度隨太陽輻射度的變化呈現出先升高后降低的變化趨勢。在12:40左右太陽輻照強度達到最大值為512 W/m2，隨后集熱器出口溫度達到最大值為53 ℃，這是因為集熱器將太陽能轉化成熱能需要一定的時間，因此集熱器最高出口溫度略晚于最大輻照強度出現的時間；由圖8(b)可知供暖房間溫度呈現先升高后降低的變化趨勢，而非供暖房間溫度及環境溫度變化不大，9:30左右太陽能集熱器出口溫度高于35 ℃，此時室內溫度開始高于16 ℃，室內溫度在12:50左右達到最大值，為26.1 ℃，在12:00—14:00期間，太陽輻射強，環境溫度較高，集熱器出口溫度及室內溫度較高。14:00之后隨著太陽輻射強度的減弱集熱器吸收的熱量減少，送風溫度降低，室內溫度逐漸下降，在16:10時送風溫度降低至31 ℃，室內溫度開始低于16 ℃，不能滿足室內供暖需求。在晴天條件下，白天平均環境溫度2.98 ℃時，非采暖房間溫度較低，平均溫度為4.6 ℃，而完全依靠太陽能進行采暖的房間可滿足室內溫度要求(16 ℃以上)的供暖時長可達7 h，因此該太陽能空氣集熱器供暖效果十分理想。

圖9 多云條件下集熱器出口溫度及室內外溫度變化曲線Fig.9 Variation curves of collector outlet temperature and indoor and outdoor temperature under cloudy conditions

圖9為多云天氣條件下集熱器出口溫度及室內外溫度變化曲線。由圖9(a)可知集熱器出口溫度隨太陽輻照度的變化波動較大，太陽輻照強度最大值為426 W/m2，集熱器最高出口溫度為46 ℃，由圖9可知在9:20左右集熱器出口溫度開始高于35 ℃，室內溫度開始持續高于16 ℃，隨著太陽輻照強度的變化集熱器出口溫度及供暖房間溫度不斷變化，但室內溫度基本滿足白天大部分時間段的供暖需求，在15:30時送風溫度低于30 ℃，室內溫度開始持續低于16 ℃，僅依靠太陽能不能滿足室內供暖需求。在多云天氣下，白天平均環境溫度為2.6 ℃時，非采暖房間的平均溫度為4.5 ℃，熱舒適性極差，而完全依靠太陽能進行采暖的房間室內溫度高于16 ℃的時長雖少于晴天天氣，但滿足供暖條件的時長仍然超過6 h，基本滿足白天大部分時間的室內供暖需求。

在實際運行過程中，當集熱器出口溫度不能滿足要求時，開啟電加熱輔助供暖或者關閉風機利用家用空調器取暖，能夠滿足室內24 h取暖。因本文主要研究該新型太陽能空氣集熱器單獨供暖時的供暖效果，因此不再對聯合供暖系統進行深入研究。

4 系統經濟性分析及運行維護

4.1 改進前后系統經濟性分析

該農戶冬季原采用兩臺家用空調器進行供暖，改進后的供暖系統在原有家用空調器的基礎上新增了空氣型太陽能集熱器作為冬季白天室內采暖的主要設備。設定設備使用年限為15 a，每天供暖時間為15 h，采暖時長為90 d，白天太陽能供暖時長為6.5 h。則改進前后供暖系統的初投資及運行費用比較如表4所示。

通過表4可以得出采用太陽能集熱器+家用空調器雖然初投資較高，但其運行費用及總投資更低，即改進后的系統經濟性較優，且更加節能環保。

表4 改進前后供暖設備初投資及運行費用Table 4 Initial investment and operation cost of heating equipment before and after improvement

4.2 系統運行維護

本文所提到的熱泵即家用空調器，在改進后的供暖系統中獨立存在，與太陽能供暖系統不存在直接耦合關系，因此對于改進后的太陽能+熱泵供暖系統而言，系統較為簡單，當太陽能集熱器出風溫度達到設定溫度時通過送風管道向室內直接送熱風，當太陽能集熱系統提供的熱量無法滿足室內需求時關閉集熱系統，開啟空調，運行維護簡單，太陽能供暖系統中工作介質為空氣，集熱器不存在漏水或者冬天凍裂等問題，只需對送回風管道做好保溫減少熱量散失即可，系統運行穩定可靠。

5 結論

通過搭建新型雙通真空管太陽能空氣集熱器測試平臺，對新型集熱器的基本熱性能進行了試驗研究。同時將該新型太陽能集熱器在山東德州某農村進行供暖應用，搭建了太陽能-熱泵聯合供暖系統，并對單獨采用太陽能系統供暖時房間供暖效果進行初步研究，最終獲得如下結論。

(1)新型雙通空氣式太陽能真空集熱管，管徑大，風量大，換熱充分；真空管內管出風口端設有8個膨脹節，起緩沖作用，避免工作過程中因冷熱沖擊產生的熱應力導致真空管破損，與普通空氣集熱器相比，運行更加安全、可靠，集熱效率更高。

(3)通過對單獨采用太陽能供暖系統的室內進行取暖效果分析，發現在晴朗天氣條件下，太陽輻照強度持續大于250 W/m2，集熱器出風溫度高于30 ℃，室內溫度高于16 ℃，該系統可滿足室內供暖的時長超過7小時，在多云天氣下，可滿足室內供暖需求的時超過6 h，基本滿足白天大部分時間的供暖需求。

(4)采用新型空氣式太陽能集熱器進行供暖，系統簡單，熱風直接送入房間，減少中間換熱環節，系統換熱效率高，且集熱器出風量大，房間得熱快，室內升溫快，房間預熱時間短,且經濟環保。